基本介紹
- 中文名：材料應力腐蝕
- 性質：共同作用
- 類型：屈服強度
- 用法：沒有明顯的塑性變形
特點,指標及測試,應力腐蝕因素,環境因素,力學因素,冶金因素,機理及防止,
特點
(1)造成應力腐蝕破壞的是靜應力，遠低於材料的屈服強度，而且一般是拉伸應力(近年來，也發現在不鏽鋼中可以有壓應力引起)。這個應力可以是外加應力，也可以是焊接、冷加工或熱處理產生的殘留拉應力。最早發現的冷加工黃銅子彈殼在含有潮濕的氨氣介質中的腐蝕破壞，就是由於冷加工造成的殘留拉應力的結果。假如經過去應力退火，這種事故就可以避免。
(2)應力腐蝕造成的破壞，是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。
(3)只有在特定的合金成分與特定的介質相組合時才會造成應力腐蝕。例如α黃銅只有在氨溶液中才會腐蝕破壞，而β黃銅在水中就能破裂。
(4)應力腐蝕的裂紋擴展速率一般在10^-9~10^-6m/s，有點象疲勞，是漸進緩慢的，這種亞臨界的擴展狀況一直達到某一臨界尺寸，使剩餘下的斷面不能承受外載時，就突然發生斷裂。
(5)應力腐蝕的裂紋多起源於表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直於拉力軸。
(6)應力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產物，而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。
(7)應力腐蝕的主裂紋擴展時常有分枝。但不要形成絕對化的概念，應力腐蝕裂紋並不總是分枝的。
(8)應力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是晶間斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準解理的，其裂紋有似人字形或羽毛狀的標記。
指標及測試
(1)因數據分散，有時可能得出錯誤的結論。
(2)不能正確得出裂紋擴展速率的變化規律。
(3)費時，且不能用於工程設計。
對應力腐蝕的研究，都是採用預製裂紋的試樣。將這種試樣放在一定介質中，在恆定載荷下，測定由於裂紋擴展引起的應力強度因子K隨時間的變化關係(具體測試方法將在下面介紹)，據此得出材料的抗應力腐蝕特性。
例如圖5-1所示Ti-8Al-1Mo-1V，其K1c=100MPa.m1/2。在3.5%鹽水中，當初始K值僅為40MPa.m1/2時，僅幾分鐘試樣就破壞了。如果將值K稍微降低，則破壞時間可大大推遲。當K值降低到某一臨界值時，應力腐蝕開裂實際上就不發生了。這一K值我們稱之為應力腐蝕門檻值，以K1SCC表示(SCC是Stress Corrosion Cracking的縮寫)。
(1)K<K1SCC時，在應力作用下，材料或零件可以長期處於腐蝕環境中而不發生破壞。
(2)K1SCC<K<K1C時，在腐蝕性環境和應力共同作用下，裂紋呈亞臨界擴展，隨著裂紋不斷增長，裂紋尖端K值不斷增大，達到K1C時即發生斷裂。
(3)K>K1C時，加上初始載荷後立即斷裂。儘管初始K值不同，裂紋擴展速率和斷裂時間也不同，但材料的最終破壞都是在K=K1C時發生的。
應該指出，高強度鋼和鈦合金都有一定的門檻值K1SCC，但鋁合金卻沒有明顯的門檻值，其門檻值只能根據指定的試驗時間而定。一般認為對於這類試驗的時間至少要1000小時，使用這類K1SCC數據時必須十分小心。特別是如果所設計的工程構件在腐蝕性環境中套用的時間比產生K1SCC數據的試驗時間長時，更要小心。
除了用K1SCC來表示材料的應力腐蝕抗力外，也可測量裂紋擴展速率da/dt。
下面簡單介紹應力腐蝕破裂的測試方法。
一種是載荷恆定，使K1不斷增大的方法，最常用的是恆載荷的懸臂樑彎曲試驗裝置。另一種測定K1SCC的方法是位移恆定，使K1不斷減少,用緊湊拉伸試樣和螺栓載入。
這兩種方法各有其優缺點。用懸臂樑彎曲方法可得到完整的K1初始-斷裂時間曲線，能夠較準確的確定K1SCC，缺點是所需試樣較多。恆位移法不需特殊試驗機，便於現場測試，原則上用一個試樣即可測定K1SCC值，缺點是裂紋擴展趨向停止的時間很長。當停止試驗時，擴展的裂紋前沿有時不太規整，在判定裂紋究竟是擴展了還是已停止擴展發生困難，因此在計算K1SCC時就有一定誤差。
應力腐蝕因素
環境因素
奧氏體不鏽鋼對鹵化物元素是十分敏感的；同樣，一些銅合金對含氨的環境也是很敏感的。奧氏體不鏽鋼固然對氯化物產生應力腐蝕很敏感，但氯或鹵素離子並不是唯一的決定因素，產生SCC還必須有氧存在。對加鈮的18-8不鏽鋼研究發現，只要其中有百萬分之幾的氧就能和氯化物共同造成應力腐蝕。奧氏體不鏽鋼在沸騰的MgCl2溶液中，只有氮濃度超過500X10-6才產生SCC，而在氮濃度小於500X10-6時，則不發生應力腐蝕。溶液的PH值對應力腐蝕的敏感性也有很大的影響。
力學因素
經軋制的高強度鋁合金7075-T6板材，當沿著軋制方向取樣作拉伸試驗時，對應力腐蝕的抗力最高，門檻應力可達420MPa；當沿著板寬方向取樣時，其門檻應力則為224MPa；如沿板厚方向取樣作拉伸試驗時，門檻應力只有49MPa，幾乎只有軋制方向的1/10。7075-T6鋁合金所顯示的應力方向性。
圖5-3表示四種高強度鋼淬火回火至大約抗拉強度為1650MPa時，它們的應力強度因子和斷裂時間的關係。試樣經預製裂紋在蒸餾水中施加不同載荷，可看出四種鋼均有一恆定的K1SCC，在K1SCC以下試樣不斷裂。在這四種鋼處理成相同的抗拉強度時，它們的K1SCC也相同，但是當K1>K1SCC時，這四種鋼的斷裂時間相差還是較多的。
熱處理成不同強度的40CrNiMo(4340)，其應力腐蝕的裂紋擴展速率和應力強度因子的關係，可見當屈服強度較高時，裂紋擴展表現出兩個階段，開始時裂紋擴展速率隨應力強度因子的增加而升高，當應力強度因子增加到一定數值時，裂紋擴展速率便保持恆定不再與應力強度因子有關了。這一實驗結果具有一定的典型性，幾乎所有的高強度鋼包括馬氏體時效鋼，還有高強度鋁合金都有此規律。
冶金因素
(1)材料成份的影響；
(2)材料組織的影響；
(3)材料強度的影響。
機理及防止
應力腐蝕機理就是滑移-溶解理論。它可以簡單地歸結為四個過程，這就是滑移-膜破-陽極溶解-再鈍化。這一機理所提出的基本概念廣為多數人接受。但是，滑移-溶解機理只能很好地解釋沿晶斷裂的應力腐蝕，而對穿晶型斷裂如奧氏體不鏽鋼的氯脆，卻遇到了很大困難。因為穿晶斷裂型的應力腐蝕，其斷裂表面不是在滑移面上，斷裂具有類似解理的特徵。
防止應力腐蝕的辦法要視具體的材料-介質而定。例如低碳鋼容易產生鹼脆和硝脆。在鍋爐的鉚接和焊接部位，少量的滲漏使溶融的鹽形成局部高濃度的苛性鈉，易產生鹼脆。對於鹼脆就要時時注意鍋爐用水處理，減少PH值或加入強氧化劑使鋼表面鈍化，加入一些抑制劑如硝酸鹽、硫酸鹽、磷酸鹽都可減緩應力腐蝕，也可用陰極保護的辦法。而對於硝脆則正相反，要增加溶液的PH值，或加入苛性鈉等鹼性物質延緩應力腐蝕，當然，從電化學防護來說也可用陰極保護。對奧氏體不鏽鋼的氯脆，首先從合金的成分加以改進，如從低鎳的18-8型(304、302型)改變成高鎳並加鉬的316型，進而採用A+F的雙相鋼。對奧氏體不鏽鋼也要特別注意冷變形或者焊接後的去除應力處理。
